KR100610767B1 - 하나의 전류센서를 이용한 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법 - Google Patents

하나의 전류센서를 이용한 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 전류센서를 이용하여 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법에 관한 것으로, 특히 최소 스위칭 시간을 감소시키는 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법은 상기 전류 측정에 필요한 최소 스위칭 시간을 판단하는 단계와, 상기 판단된 최소 스위칭 시간을 기초로 하여 전류의 극성을 결정하는 단계와, 상기 결정된 전류의 극성에 따라 최소 스위칭 시간을 감소시키는 단계와, 상기 감소된 최소 스위칭 시간을 전류 측정에 적용하는 단계를 포함하는데, 상기 최소 스위칭 시간은 다음의 식, 즉 TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D 또는 TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D - TDEAD 에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.(TSAMP(MIN) : 최소 스위칭 시간, Tsettle : 신호 안정화 시간, TA/D : 아날로그/디지탈 변환시간, TDEAD :데드타임)
인버터부, 인버터 제어부, 유도 전동기, 전류 센서, 아날로그/디지털 변환기

Description

하나의 전류센서를 이용한 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법{METHOD FOR MEASURING THREE-PHASE OUTPUT CURRENT OF INVERTER USING ONE CURRENT SENSOR}
도 1은 종래의 삼상 펄스폭 변조 방식을 사용한 인버터의 구성을 나타낸 회로도를 도시한다.
도 2는 종래의 전류 센서를 이용하여 전류를 측정하는 방법을 설명하는 설명도를 도시한다.
도 3은 각 스위치의 스위칭 상태에 따라 전류 센서에 흐르는 전류를 나타낸 데이터 테이블을 도시한다.
도 4는 종래의 전류 센서를 이용하여 전류를 측정하는 방법에 의해 출력되는 타이밍도를 도시한다.
도 5 (a) 및 (b)는 본 발명에 따른 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법을 설명하기 위한 타이밍도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법을 설명하기 위한 기준 전압과 실제 전압의 타이밍도를 도시한다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1; 인버터부 2; 인버터 제어부
3; 유도 전동기 4; 전류 센서
5; 아날로그/디지털 변환기
본 발명은 하나의 전류센서를 이용하여 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법에 관한 것으로, 특히 최소 스위칭 시간을 감소시키는 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 삼상 펄스폭 변조 방식을 사용한 인버터의 구성을 나타낸 회로도로서, 여기에 도시된 바와 같이 정류된 직류 전압을 인가받아 교류 전원으로 변환하는 인버터부(1)와, 상기 인버터부(1)를 제어하는 인버터 제어부(2)와, 상기 출력 전압을 인가받아 구동되는 유도 전동기(3)와, 직류 전압 입력 단자에 연결되어 흐르는 전류를 감지하는 전류 센서(4)와, 상기 전류 센서(4)가 감지한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(5)로 구성된다.
상기 인버터부(1)는 상기 직류 전압을 상호 병렬로 입력받아 제어하는 제 1 스위치(Sa +), 제 2 스위치(Sb +) 및 제 3 스위치(Sc +)와, 상기 제 1 스위치(Sa +), 제 2 스위치(Sb +) 및 제 3 스위치(Sc +) 각각에 직렬 연결된 제 4 스위치(Sa -), 제 5 스위치(Sb -) 및 제 6 스위치(Sc -)로 구성된다.
또한, 상기 제 1 스위치(Sa +) 및 제 4 스위치(Sa -) 사이에 유도 전동기(3)의 a상이 연결되며, 상기 제 2 스위치(Sb +) 및 제 5 스위치(Sb -) 사이에 유도 전동기(3)의 b상이 연결되고, 상기 제 3 스위치(Sc +) 및 제 6 스위치(Sc -) 사이에 유도 전동기(3)의 c상이 연결되어 구성된다.
도 2는 종래의 전류 센서를 이용하여 전류를 측정하는 방법를 도시한다. 여기에 도시된 바와 같이 삼각파와 각 상의 기준 전압을 이용하여 펄스폭 변조 신호를 생성하는 인버터 제어부(2)는 제어 신호를 인버터부(1)로 출력시키고, 상기 인버터부(1)의 출력 전원은 유도 전동기(3)를 구동시킨다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 PWM 방식으로 널리 사용되는 삼각파 비교법의 경우에, 삼각파 반주기 동안 2개의 유효 벡터가 인가된다. 따라서, 삼각파 반주기 동안 두 상의 출력 전류 ia와 ib를 측정할 수 있고, 나머지 하나의 전류는 ic = ia + ib의 관계식을 이용하여 계산될 수 있다.
이와 같이 구성된 종래의 유도 전동기 구동 회로에 있어서, 상기 유도 전동기의 각 상에 흐르는 전류를 측정하는 방법은 전류 측정을 위하여 아날로그/디지털 변환기(5)의 변환 시간 이외에 신호 안정화 시간과 데드 타임이 추가로 확보되는 것을 필요로 한다. 여기서, 전류를 읽기 위한 최소 스위칭 시간[TSAMP(MIN)]은 다음의 식 (1)과 같이 데드 타임(TDEAD), 신호 안정화 시간(Tsettle) 및 아날로그/디지털 변환 시간(TA/D)의 합이다.
TSAMP(MIN)= TDEAD + Tsettle + TA/D --- (1)
인버터 출력 파형은 정현파이므로, 스위칭 시간, 즉 펄스폭도 정현파 함수로 가변된다. 따라서, 삼상의 경우 인가되는 전압 벡터(도 3 참조)의 인가 시간이 '영'이 되는 지점이 한 주기에 6번 존재하게 되며, 이 지점 근처에서는 전압 벡터의 인가 시간이 최소 스위칭 시간 이하로 되어 전류 측정이 불가능해진다. 전류 측정이 가능하도록 하려면 전압 벡터의 인가 시간이 최소 스위칭 시간보다 작아지지 않도록 강제로 인가 시간을 증가시켜야 한다. 전압 벡터 인가 시간이 임의로 제한되면, 전류 측정을 위한 최소 시간은 확보가 되지만 전압 파형에 왜곡이 생기고, 이는 전류 파형의 왜곡 또는 토크 맥동 등의 문제점을 유발시킨다. 이것을 보상하여 왜곡을 제거하기 위한 방법들은 전류 측정시 원래 기준 전압에서 왜곡된 전압량 만큼 다음 반주기에서 즉시 빼주거나, 또는 여러 주기에 걸쳐 빼주는 방법을 사용한다.
도 3은 각 스위치의 스위칭 상태에 따라 전류 센서에 흐르는 전류를 나타낸 데이터 테이블를 도시한다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 삼상 전압형 인버터에서 3쌍의 스위치에 의한 스위칭 조합은 8개의 스위칭 전압 벡터로 표현된다. 제 1 스위치(Sa +), 제 2 스위치(Sb +) 및 제 3 스위치(Sc +)가 모두 '온'되거나, 제 4 스위치(Sa -), 제 5 스위치(Sb -) 및 제 6 스위치(Sc -)가 모두 '온'되는 2개의 영 벡터를 제외 한 나머지 6개의 유효 벡터에 해당하는 스위칭 상태에서는 직류 링크 전류가 출력 상 전류 중 하나와 일치한다.
도 4는 종래의 전류 센서를 이용하여 전류를 측정하는 방법에 의해 출력되는 타이밍도로서, 스위칭 순간부터 데드 타임과 신호 안정화 시간 만큼 경과된 후에야 전류 센서(4)로부터 안정된 신호를 얻을 수 있고, 이 때부터 아날로그/디지털 변환되어야만 정확한 전류값을 읽을 수 있다.
따라서, 종래의 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법은 최소 스위칭 시간 확보에 의하여 전압이 왜곡되고 이에 대한 보상 전압이 인가되는 동작이 반복되기 때문에 고주파 전압 리플을 발생시키고 전류 리플을 증가시킨다. 또한, 주파수가 낮아질수록 기준 전압의 크기가 작아지므로, 최소 스위칭 시간 이하로 스위칭 벡터 인가 시간이 줄어드는 구간이 증가하고, 수[Hz] 이하의 저속구간에서는 전 영역에 걸쳐 전류 리플이 증가한다. 이러한 이유로 저속 운전 구간에서 소음이 증가하게 된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 전류 측정시 필요한 최소 스위칭 시간을 감소시키는 인버터의 출력 전류를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 최소 스위칭 시간을 감소시킴으로써 전류 리플 및 이에 따른 소음을 감소시킬 수 있는 인버터의 출력 전류를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법은 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법에 있어서, 상기 전류 측정에 필요한 최소 스위칭 시간을 판단하는 단계와, 상기 판단된 최소 스위칭 시간을 기초로 하여 전류의 극성을 결정하는 단계와; 상기 결정된 전류의 극성에 따라 최소 스위칭 시간을 감소시키는 단계와, 상기 감소된 최소 스위칭 시간을 전류 측정에 적용하는 단계를 포함하는 데, 상기 최소 스위칭 시간은 다음의 식, 즉 TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D 또는 TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D - TDEAD 에 의해 계산되는 것을 특징으로 한다.(TSAMP(MIN) : 최소 스위칭 시간, Tsettle : 신호 안정화 시간, TA/D : 아날로그/디지탈 변환시간, TDEAD :데드타임)
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5 (a) 및 (b)는 PWM 변조 방식에서 데드 타임 구간 동안의 게이트 파형과 실제 인버터 출력 전압 파형의 예로서 전류의 극성에 따라 스위칭이 일어나는 시점이 달라지는 것을 나타낸다. 도 5 (a)는 ia가 0보다 작은 경우로 데드 타임이 시작되는 시점 t11 이전에 제 1 다이오드(Da +)를 통하여 흐르고 있는 상황이고, 데드 타임 구간이 시작되어도 부하의 인덕턴스 성분에 의하여 여전히 제 1 다이오드(Da +)를 통하여 전류가 흐르게 된다. 데드 타임 구간이 끝나는 시점 t12에서, 게이트 신호가 제 4 스위치(Sa -)에 인가되면, 제 1 다이오드(Da +)를 통하여 흐르던 전류는 제 4 스위치(Sa -)를 통하여 흐르기 시작하고 이때부터 스위칭 과도 상태가 된다. 따라서, 아날로그/디지털 변환을 위해 확보되어야 하는 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))은 다음과 같이 데드 타임(TDEAD), 신호 안정화 시간(Tsettle) 및 아날로그/디지털 변환 시간(TA/D)의 합으로 이루어진다.
TSAMP(MIN)= TDEAD + Tsettle + TA/D --- (1)
도 5(b)는 ia가 0보다 큰 경우로 t11 시점에서 제 1 스위치(Sa +)가 오프되고 데드 타임 구간이 시작되면 출력 전류의 경로가 제 1 스위치(Sa +)에서 제 4 다이오드(Da -)로 변경된다. 이러한 경우에, 데드 타임 구간이 시작되는 시점 t11에서 전류 스위칭이 일어나 과도 상태가 시작되게 되므로, 데드 타임(TDEAD)과 신호 안정화 시간(Tsettle)이 중첩된다. 따라서, 아날로그/디지털 변환을 위해 확보되어야 하는 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))은 다음의 식 (2)와 같이 계산되고, 식 (1)의 경우보다 데드 타임(TDEAD) 만큼 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))을 감소시킬 수 있다.
TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D --- (2)
종래의 방식에서는 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))이 식 (1)과 같이 고정되지만, 본 발명에서는 전류 극성에 따라 식 (1) 또는 식 (2)와 같이 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))을 변화시킨다.
도 6은 삼각파 비교법을 사용한 PWM 한 주기 동안의 게이트 파형과 전압 파형의 예를 도시한다. 앞쪽 반주기 동안에 직류 전류가 측정되어 두 상의 출력 전류가 측정된다. 이 과정에서 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))을 확보하기 위해 전압 왜곡이 발생하는 경우, 후반 반주기 동안 왜곡 전압의 반대가 되는 보상 전압이 기준 전압에 더해져 한주기 평균 전압이 기준 전압과 같아지게 한다. a상이 스위칭되는 시점 t11에서 a상 전류의 극성에 따라 데드 타임(TDEAD)과 신호 안정화 시간(Tsettle)이 분리되거나 또는 중첩된다. 따라서, ia가 0보다 큰 경우에는 U1 구간에서의 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))을 식 (2)와 같이 감소시킬 수 있다.
그 다음, U1이 끝나는 시점 t21에서 제 1 스위치(Sa +)의 게이트 신호가 오프되고 C상 데드 타임 구간이 시작된다.
또한, Ic가 0보다 작은 경우에, 데드 타임 구간 t21 내지 t22에서도 전류가 U1 구간에서와 마찬가지로 계속 제 3 다이오드(Dc +)로 흐르므로 c상 전류의 경로가 변화되지 않는다. 데드 타임(TDEAD)이 끝나는 시점 t22에서 게이트 신호가 제 6 스위치(Sc -)에 인가되면, 전류가 제 3 다이오드(Dc +)에서 제 6 스위치(S c -)로 이동하여 과 도 상태가 된다. 따라서, 데드 타임 구간 t21 내지 t22 동안 U1 구간과 같은 전류가 유지되고 스위칭 상태가 U1 구간과 동일하므로 상기 데드 타임 구간을 앞쪽 U1 구간에 포함시킨다. 따라서, Ic가 0보다 작은 경우에, a상 전류 측정을 위한 U1 구간의 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))은 데드 타임 구간 t21 내지 t22 만큼 더 감소시킬 수 있다.
결과적으로, ia가 0보다 크고 ic가 0보다 작은 경우에, 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))은 다음의 식 (3)과 같이 감소될 수 있다.
TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D - TDEAD --- (3)
또한, ic가 0보다 큰 경우에, 데드 타임 구간이 t21에서 시작되면, c상 전류가 제 3 스위치(Sc +)에서 제 6 다이오드(Dc -)로 이동되므로 데드 타임 동안에 스위칭 과도 상태가 된다. 따라서, 데드 타임 구간과 신호 안정화 구간이 중첩되고, U2 구간의 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))은 식 (2)와 같이 감소된다.
U2 구간이 끝나는 시점, 즉 b상이 스위칭되는 t31 시점에서도 같은 경우가 된다.
또한, ib가 0보다 큰 경우는 T31 시점에서 전류가 제 2 스위치(Sb +)에서 제 5 다이오드(Db -)로 이동되는 과도 상태가 발생되므로 U2 구간의 최소 스위칭 시간 감 소에 기여하지 못한다. 그러나, ib가 0보다 작은 경우는 t32에서 과도 상태가 발생하므로 t31 내지 t32 구간을 U2에 포함시킨다. 따라서, U2 구간에서도 U1 구간에서와 마찬가지로 최소 스위칭 시간(TSAMP(MIN))을 감소시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부 도면에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법은 전류 측정시 필요한 최소 스위칭 시간을 감소시킴으로써 전류 리플 및 이에 따른 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 하나의 전류센서를 이용한 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 전류 측정에 필요한 최소 스위칭 시간을 판단하는 단계와,
    상기 판단된 최소 스위칭 시간을 기초로 하여 전류의 극성을 결정하는 단계와,
    상기 결정된 전류의 극성에 따라 최소 스위칭 시간을 감소시키는 단계와,
    상기 감소된 최소 스위칭 시간을 전류 측정에 적용하는 단계를 포함하는데,
    상기 최소 스위칭 시간은 다음의 식, 즉 TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D 또는 TSAMP(MIN)= Tsettle + TA/D - TDEAD 에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 하나의 전류센서를 이용한 인버터의 삼상 출력 전류를 측정하는 방법.(TSAMP(MIN) : 최소 스위칭 시간, Tsettle : 신호 안정화 시간, TA/D : 아날로그/디지탈 변환시간, TDEAD :데드타임)
  2. 삭제
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